DE102009018012B4 - Method for controlling the system pressure in a coolant circuit - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, bei welchem mittels eines Drucksensors (18) ein Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen wird und bei Abweichung von einem Solldruck (P) durch Zuführen oder Abführen eines gasförmigen Mediums in einen Gasraum (14) eines Ausgleichsbehälters (10) der Solldruck im Kühlmittelkreislauf eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmitteltemperatur (T) im Kühlmittelkreislauf ermittelt wird und der Solldruck (P) mittels eines Druck-Temperatur-Kennfeldes ermittelt wird.Method for controlling a system pressure in a coolant circuit for an internal combustion engine, in which a pressure sensor (18) is used to measure a pressure in the coolant circuit and, in the event of a deviation from a setpoint pressure (P), by feeding or discharging a gaseous medium into a gas space (14) of an expansion tank (10) the target pressure in the coolant circuit is set, characterized in that a coolant temperature (T) is determined in the coolant circuit and the target pressure (P) is determined by means of a pressure-temperature map.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a method for controlling the system pressure in a coolant circuit for an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.

Um in beispielsweise zur Motorkühlung oder auch zur Kühlung von Wasserretardem eingesetzten Kühlmittelkreisläufen von Brennkraftmaschinen die Bildung von Dampfblasen bzw. Kavitation im flüssigen Kühlmedium zu vermeiden, werden diese Kühlmittelkreisläufe in der Regel unter Überdruck betrieben. Bei üblichen Systemen stellt sich dabei der Überdruck nach dem Start der Brennkraftmaschine langsam von selbst ein, da dass flüssige Kühlmedium sich erwärmt und so durch seine Ausdehnung den Druck im geschlossenen Kühlmittelsystem erhöht. Um bei verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine dabei jeweils den notwendigen Druck aufrecht zu erhalten werden komplexe, mehrkammrige Ausgleichsbehälter benötigt, welche sowohl konstruktiv aufwendig sind als auch nachteilig hohen Bauraumbedarf aufweisen.In order to avoid the formation of vapor bubbles or cavitation in the liquid coolant in coolant circuits of internal combustion engines used, for example, for engine cooling or also for cooling water retarders, these coolant circuits are usually operated under excess pressure. In conventional systems, the overpressure slowly sets itself up after the internal combustion engine has started, since the liquid cooling medium heats up and thus increases the pressure in the closed coolant system due to its expansion. In order to maintain the necessary pressure in each case in the various operating states of the internal combustion engine, complex, multi-chamber expansion tanks are required, which are both structurally complex and disadvantageously require a lot of space.

In moderneren Kühlmittelkreisläufen wird in der Anlaufphase der Brennkraftmaschine der Druck zudem aktiv geregelt. Da gerade beim Start der Brennkraftmaschine die Kühlmitteltemperatur noch der Umgebungstemperatur entspricht, ist gerade hier die Gefahr von Dampfblasenbildung und Kavitation besonders hoch. Die DE 10 2005 007 781 A1 offenbart daher ein Verfahren zum schnellen Aufbau des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine. Beim Start der Brennkraftmaschine wird hierbei der Druck im Kühlmittelkreislauf durch einen externen Druckerzeuger so lange erhöht, bis ein gewünschter Solldruck erreicht ist. Der Druck wird dabei durch einen im Kühlmittelkreislauf, insbesondere in einem Ausgleichsbehälter des Kühlmittelkreislaufs angeordneten Drucksensors überwacht. Durch weitere Erwärmung des Kühlmittels entstehender Überdruck wird in der Folge durch ein Überdruckventil abgeblasen. In more modern coolant circuits, the pressure is also actively regulated in the start-up phase of the internal combustion engine. Since the coolant temperature still corresponds to the ambient temperature when the internal combustion engine is started, the risk of vapor bubble formation and cavitation is particularly high here. The DE 10 2005 007 781 A1 therefore discloses a method for rapidly building up the system pressure in a coolant circuit of an internal combustion engine. When the internal combustion engine is started, the pressure in the coolant circuit is increased by an external pressure generator until a desired setpoint pressure is reached. The pressure is monitored by a pressure sensor arranged in the coolant circuit, in particular in an expansion tank of the coolant circuit. Any excess pressure created by further heating of the coolant is then blown off through an excess pressure valve.

Nachteiligerweise arbeitet ein derartiger Kühlmittelkreislauf somit immer an seinem Maximaldruck, sodass in gewissen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, insbesondere im Niedriglastbereich, die Komponenten des Kühlmittelkreislaufs mit unnötig hohem Druck beaufschlagt werden. Dies führt zu einer höheren Belastung und einen größeren Verschleiß der genannten Komponenten.Disadvantageously, such a coolant circuit always works at its maximum pressure, so that in certain operating states of the internal combustion engine, in particular in the low-load range, the components of the coolant circuit are subjected to unnecessarily high pressure. This leads to higher loads and greater wear and tear on the components mentioned.

Die DE 10 2007 058 575 A1 und die DE 33 45 931 A1 offenbaren Verfahren zum Steuern eines Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, bei welchem mittels eines Sensors ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine gemessen wird und bei Abweichung von einem Solldruck durch Zuführen oder Abführen von Druckluft in einen Gasraum eines Ausgleichsbehälters der Solldruck im Kühlmittelkreislauf eingestellt wird.The DE 10 2007 058 575 A1 and the DE 33 45 931 A1 disclose a method for controlling a system pressure in a coolant circuit for an internal combustion engine, in which an operating state of the internal combustion engine is measured by means of a sensor and, in the event of a deviation from a target pressure, the target pressure in the coolant circuit is set by supplying or discharging compressed air into a gas space of an expansion tank.

Die DE 101 28 423 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Volumenstroms in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine.The DE 101 28 423 A1 discloses a method for controlling a volume flow in a coolant circuit for an internal combustion engine.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiter zu entwickeln, dass die druckbedingte Belastung von Komponenten des Kühlmittelkreislaufs minimiert wird.The present invention is therefore based on the object of further developing a method for controlling the system pressure in a coolant circuit according to the preamble of patent claim 1 in such a way that the pressure-related load on components of the coolant circuit is minimized.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method with the features of claim 1.

Bei einem solchen Verfahren zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine wird mittels eines Drucksensors ein Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen und bei Abweichung von einem Solldruck durch Zuführen oder Abführen von einem gasförmigen Medium, insbesondere von Druckluft in einen Gasraum eines Ausgleichsbehälters der Solldruck im Kühlmittelkreislauf eingestellt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass zusätzlich eine Kühlmitteltemperatur im Kühlmittelkreislauf ermittelt wird und der Solldruck mittels eines Druck-Temperatur-Kennfeldes ermittelt wird.In such a method for controlling the system pressure in a coolant circuit for an internal combustion engine, a pressure sensor is used to measure a pressure in the coolant circuit and, if there is a deviation from a target pressure, the target pressure in the coolant circuit is achieved by supplying or removing a gaseous medium, in particular compressed air, into a gas space of an expansion tank set. According to the invention, it is provided that a coolant temperature is also determined in the coolant circuit and the setpoint pressure is determined by means of a pressure-temperature map.

Im Unterschied zum Stand der Technik stellt das erfindungsgemäße Verfahren somit nicht den konstanten Maximaldruck ein, sondern wählt temperaturabhängig einen jeweiligen einzustellenden Druck aus dem Druck-Temperatur-Kennfeld aus. Das Kennfeld ist dabei insbesondere so gewählt, dass jeder Kühlmitteltemperatur ein Druck zugeordnet ist, der gerade hoch genug ist, um Dampfblasenbildung und Kavitation im Kühlmittel zu unterbinden. Damit wird also für jeden Betriebszustand der Brennkraftmaschine gerade nur derjenige Druck eingestellt, der für einen optimalen Betrieb des Kühlmittelkreislaufs notwendig ist. Die Belastung von Komponenten des Kühlmittelkreislaufs durch einen beständig hohen Druck wird somit vorteilhaft reduziert und deren Verschleiß verringert.In contrast to the prior art, the method according to the invention therefore does not set the constant maximum pressure, but rather selects a respective pressure to be set from the pressure-temperature characteristic map as a function of the temperature. The characteristics map is selected in such a way that each coolant temperature is assigned a pressure that is just high enough to prevent the formation of vapor bubbles and cavitation in the coolant. This means that for each operating state of the internal combustion engine, only that pressure is set that is necessary for optimal operation of the coolant circuit. The load on components of the coolant circuit due to a constantly high pressure is thus advantageously reduced and their wear reduced.

Vorteilhafter Weise wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine kontinuierlich der Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen und auf den Solldruck eingestellt. Der Solldruck wird dabei wiederum aus einem Druck-Temperatur-Kennfeld ermittelt. Eine Druckoptimierung im Kühlmittelkreislauf findet somit nicht nur beim Start der Brennkraftmaschine, sondern während deren gesamten Betriebszyklus statt. Damit wird auch in Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, in welchen eine niedrige Kühlmitteltemperatur vorliegt, also im Niedriglast- oder Leerlaufbetrieb, jeweils nur der gerade nötige Kühlmitteldruck eingestellt, der genügt um Dampfblasenbildung und Kavitation zu unterbinden.The pressure in the coolant circuit is advantageously measured continuously during operation of the internal combustion engine and set to the setpoint pressure. The target pressure is in turn determined from a pressure-temperature map. Pressure optimization in the coolant circuit therefore takes place not only when the internal combustion engine is started, but also during its entire operating cycle. This means that even in operating states of the internal combustion engine in which there is a low coolant temperature, that is to say in low-load or Idle operation, only the required coolant pressure is set, which is sufficient to prevent the formation of vapor bubbles and cavitation.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird beim Zuführen von Druckluft in den Gasraum des Ausgleichsbehälters der Druck der zugeführten Druckluft durch ein Druckbegrenzungsventil begrenzt. Damit können gegebenenfalls von einem externen Druckerzeuger verursachte Druckspitzen abgefangen werden, sodass eine Änderung des Drucks im Kühlmittelsystem niemals ruckartig, sondern immer kontinuierlich erfolgt. Auch hierdurch wird die Belastung der Komponenten des Kühlmittelkreislaufes reduziert.In a further preferred embodiment of the invention, when compressed air is fed into the gas space of the expansion tank, the pressure of the compressed air supplied is limited by a pressure limiting valve. In this way, pressure peaks caused by an external pressure generator can be intercepted, so that a change in the pressure in the coolant system never occurs suddenly, but always continuously. This also reduces the load on the components of the coolant circuit.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks im Kühlmittelkreislauf ein Überdruckventil des Ausgleichsbehälters geöffnet wird, bis der Druck im Kühlmittelkreislauf den Maximaldruck unterschreitet. Dies ist eine vorteilhafte Sicherheitsvorkehrung, die Beschädigungen des Kühlmittelkreislaufes durch einen Überdruck vermeidet. Im Gegensatz zum Abführen des gasförmigen Mediums aus dem Gasraum des Ausgleichsbehälters im Normalbetrieb des Kühlmittelkreislaufes, also zur Druckreduktion bei sinkender Kühlmitteltemperatur, erfolgt das Öffnen des Überdruckventils nicht gesteuert. Bevorzugter Weise handelt es sich bei diesem Überdruckventil um ein rein mechanisches Ventil, welches eine von der Steuerung des Systemdrucks im Kühlmittelkreislauf unabhängige Vorkehrung gegen den Aufbau von Überdruck darstellt. Beim Öffnen dieses mechanischen Überdruckventils wird das gasförmige Medium, insbesondere die Druckluft aus dem Gasraum des Ausgleichsbehälters bevorzugt direkt an die Umwelt gegeben.In a further embodiment of the invention it is provided that when a predetermined maximum pressure in the coolant circuit is exceeded, a pressure relief valve of the expansion tank is opened until the pressure in the coolant circuit falls below the maximum pressure. This is an advantageous safety precaution that prevents damage to the coolant circuit from excess pressure. In contrast to the removal of the gaseous medium from the gas space of the expansion tank during normal operation of the coolant circuit, i.e. to reduce the pressure when the coolant temperature falls, the opening of the pressure relief valve is not controlled. This overpressure valve is preferably a purely mechanical valve, which represents a precaution against the build-up of overpressure, which is independent of the control of the system pressure in the coolant circuit. When this mechanical pressure relief valve is opened, the gaseous medium, in particular the compressed air from the gas space of the expansion tank, is preferably released directly into the environment.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck im Kühlmittelkreislauf direkt im Gasraum des Ausgleichsbehälters gemessen. Damit wird sichergestellt, dass die durch Zuführen oder Abführen des gasförmigen Mediums in den Gasraum verursachten Druckveränderungen unmittelbar erfasst werden, sodass keine Über- oder Untersteuerung stattfinden kann.In a further embodiment of the invention, the pressure in the coolant circuit is measured directly in the gas space of the expansion tank. This ensures that the pressure changes caused by the supply or discharge of the gaseous medium into the gas space are detected immediately so that no over- or under-modulation can occur.

Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.The invention and its embodiments will be explained in more detail below with reference to the drawing.

Hierbei zeigen:

  • 1 Eine schematische Darstellung eines Teils eines Kühlmittelkreislaufs für eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 2 ein Beispiel eines Druck-Temperatur-Kennfeldes zur Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Here show:
  • 1 A schematic representation of part of a coolant circuit for an internal combustion engine for carrying out a method according to the invention and
  • 2 an example of a pressure-temperature map for use with a method according to the invention.

1 zeigt einen Ausgleichsbehälter 10 für einen nicht im Ganzen dargestellten Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine. Der Ausgleichsbehälter 10 enthält ein Reservoir flüssigen Kühlmediums 12 sowie einen Gasraum 14. Über einen Nachfüllstutzen 16 kann zusätzliches Kühlmedium in den Ausgleichsbehälter 10 eingefüllt werden. Mittels eines Drucksensors 18 wird ein Innendruck im Gasraum 14 gemessen. Dieser ist repräsentativ für den Druck im gesamten Kühlmittelsystem. 1 shows an expansion tank 10 for a coolant circuit of an internal combustion engine, not shown as a whole. The expansion tank 10 contains a reservoir of liquid cooling medium 12 as well as a gas compartment 14th . Via a refill nozzle 16 can add additional cooling medium to the expansion tank 10 be filled. By means of a pressure sensor 18th becomes an internal pressure in the gas space 14th measured. This is representative of the pressure in the entire coolant system.

Um den Druck im Kühlmittelkreislauf auf den jeweiligen Optimalwert einzustellen, wird zusätzlich die Temperatur des Kühlmittels 12 bestimmt. Aus einem beispielhaften 2 dargestellten Druck-Temperatur-Kennfeld wird der gemessenen Kühlmitteltemperatur ein jeweiliger Druck zuordnet, welcher gerade hoch genug ist, dass es zu keiner Kavitation bzw. Dampfblasenbildung im Kühlmittel 12 kommt.In order to set the pressure in the coolant circuit to the optimum value, the temperature of the coolant is also used 12 certainly. From an exemplary 2 The pressure-temperature map shown here is assigned to the measured coolant temperature a respective pressure which is just high enough that there is no cavitation or vapor bubble formation in the coolant 12 comes.

Der so ermittelte Druck wird in der Folge im Gasraum 14 des Ausgleichsbehälters 10 eingestellt. Hierzu weist der Ausgleichsbehälter 10 einen Zufuhrstutzen 20 zum Zuführen eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Druckluft auf. Druckluft wird von einem Druckerzeuger 22 bereitgestellt und kann in einem Reservoir 24 vorgehalten werden. Über ein von einem nicht gezeigten Steuergerät angesteuertes Druckregelventil 26 wird solange Druckluft in den Gasraum 14 eingebracht bzw. aus diesem abgeführt, bis der aus dem Druck-Temperatur-Kennfeld ermittelte Solldruck erreicht ist.The pressure determined in this way is subsequently in the gas space 14th of the expansion tank 10 set. To this end, the expansion tank 10 a feed port 20th for supplying a gaseous medium, in particular compressed air. Compressed air is produced by a pressure generator 22nd provided and can be in a reservoir 24 be held up. Via a pressure regulating valve controlled by a control unit (not shown) 26th while compressed air is in the gas space 14th introduced or discharged from it until the setpoint pressure determined from the pressure-temperature map is reached.

Zum Abfangen von Druckspitzen ist dabei zusätzlich ein mechanisches Druckbegrenzungsventil 28 zwischen dem Druckregelventil 26 und dem Anschlussstutzen 20 vorgesehen. Weiterhin weist der Ausgleichsbehälter 10 ein rein mechanisches Überdruckventil 30 auf, welches nicht mit der übrigen Steuerung in Verbindung steht.There is also a mechanical pressure relief valve to absorb pressure peaks 28 between the pressure control valve 26th and the connecting piece 20th intended. Furthermore, the expansion tank 10 a purely mechanical pressure relief valve 30th which is not connected to the rest of the control system.

Überschreitet der Druck im Gasraum 14 des Ausgleichsbehälters 10 einen vorgegebenen, absoluten Maximaldruck, so wird gasförmiges Medium aus dem Gasraum 14 über das Überdruckventil 30 an die Umgebung abgeblasen, bis der Druck wieder unter den vorgegeben Maximaldruck fällt und sich das Überdruckventil 30 selbsttätig wieder schließt.Exceeds the pressure in the gas space 14th of the expansion tank 10 If a given, absolute maximum pressure is reached, a gaseous medium emerges from the gas space 14th via the pressure relief valve 30th blown off to the environment until the pressure falls below the specified maximum pressure and the pressure relief valve closes 30th closes again automatically.

Die Ermittlung des jeweils optimalen Druckes für das Kühlmedium aus dem Druck-Temperatur-Kennfeldes erfolgt dabei kontinuierlich während des gesamten Betriebes der Brennkraftmaschine. In jedem Betriebszustand, also zu jeder Kühlmitteltemperatur, wird somit lediglich genau der Druck im Kühlmittelkreislauf eingestellt, welcher notwenig ist, um Dampfblasenbildung und Kavitation zu vermeiden. Eine Überbelastung von Komponenten des Kühlmittelkreislaufs, welche auftreten würde, wenn der Druck im Kühlmittelkreislauf ständig auf dem Maximaldruck gehalten würde, wird somit vorteilhaft vermieden.The determination of the respectively optimal pressure for the cooling medium from the pressure-temperature map takes place continuously during the entire operation of the internal combustion engine. In every operating state, that is to say at every coolant temperature, the pressure in the coolant circuit is set precisely which is necessary in order to avoid the formation of vapor bubbles and cavitation. Overloading of components of the coolant circuit, which would occur if the pressure in the coolant circuit were constantly kept at the maximum pressure, is thus advantageously avoided.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
Ausgleichsbehältersurge tank
1212
KühlmediumCooling medium
1414th
GasraumGas compartment
1616
NachfüllstutzenRefill neck
1818th
DrucksensorPressure sensor
2020th
ZufuhrstutzenFeed nozzle
2222nd
DruckerzeugerPressure generator
2424
Reservoirreservoir
2626th
DruckregelventilPressure control valve
2828
DruckbegrenzungsventilPressure relief valve
3030th
ÜberdruckventilPressure relief valve

Claims (6)

Verfahren zum Steuern eines Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, bei welchem mittels eines Drucksensors (18) ein Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen wird und bei Abweichung von einem Solldruck (P) durch Zuführen oder Abführen eines gasförmigen Mediums in einen Gasraum (14) eines Ausgleichsbehälters (10) der Solldruck im Kühlmittelkreislauf eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmitteltemperatur (T) im Kühlmittelkreislauf ermittelt wird und der Solldruck (P) mittels eines Druck-Temperatur-Kennfeldes ermittelt wird.Method for controlling a system pressure in a coolant circuit for an internal combustion engine, in which a pressure sensor (18) is used to measure a pressure in the coolant circuit and, in the event of a deviation from a setpoint pressure (P), by feeding or discharging a gaseous medium into a gas space (14) of an expansion tank (10) the target pressure in the coolant circuit is set, characterized in that a coolant temperature (T) is determined in the coolant circuit and the target pressure (P) is determined by means of a pressure-temperature map. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Druckluft als gasförmigen Mediums zugeführt oder abgeführt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that compressed air is supplied or discharged as a gaseous medium. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine kontinuierlich der Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen und auf den Solldruck (P) eingestellt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the pressure in the coolant circuit is continuously measured during operation of the internal combustion engine and set to the setpoint pressure (P). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zuführen des gasförmigen Mediums in den Gasraum (14) des Ausgleichsbehälters (10) der Druck des zugeführten gasförmigen Mediums durch ein Druckbegrenzungsventil (28) begrenzt wird.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that when the gaseous medium is fed into the gas space (14) of the expansion tank (10), the pressure of the fed gaseous medium is limited by a pressure limiting valve (28). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks im Kühlmittelkreislauf ein Überdruckventil (30) des Ausgleichsbehälters (10) geöffnet wird, bis der Druck im Kühlmittelkreislauf den Maximaldruck unterschreitet.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that when a predetermined maximum pressure in the coolant circuit is exceeded, a pressure relief valve (30) of the expansion tank (10) is opened until the pressure in the coolant circuit falls below the maximum pressure. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Kühlmittelkreislauf direkt im Gasraum (14) des Ausgleichsbehälters (10) gemessen wird.Method according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the pressure in the coolant circuit is measured directly in the gas space (14) of the expansion tank (10).
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